材料挤出式3D打印研究的现在与未来(3)
2.3.4 设备结构创新
以作者的观点，过去10年内ME-3DP领域最重要的设备创新是以橡树岭国家实验室为核心开发的BAAM技术 [56]。BAAM技术将传统高分子粒料的螺杆挤出工艺应用到超大尺度3D打印中，并成功地完成了从设备、工艺 [57]、甚至是软件 [58]的研究与开发。BAAM技术在大型模具，尤其是航空、风电等复合材料模具 [59]，及建筑相关应用中具有非常广阔的前景。我国这一领域的研究工作起步较晚，仅在2018年由上海建工牵头开展了在建筑领域的应用。作者所在的苏州聚复高分子与上海酷鹰机器人共同参与了合作并分别完成了材料和设备的开发，同时配合上海建工完成了位于上海、泉州和成都三座人行桥的打印施工。目前苏州聚复高分子正在联合攥写建筑领域3D打印的相关标准文件。
Polymaker与上海建工及酷鹰科技合作打印的3D景观桥之一（成都流云桥）。
另外一项设备结构驱动的创新是由美国Markforged公司最早商业化的连续碳纤维打印技术 [60]。该技术能原位生成连续碳纤维增强的热塑性复合材料，能在XY方向实现超高的模量和强度 [61]。除了Markforged之外，包括俄罗斯的Anisoprint和西安斐帛科技在内的多家公司也对这一技术实现了商业化。作者所在的公司也和Anisoprint进行过合作开发，成功实现了两款尼龙基材料的商业化 [62]，能达到非常高的打印质量和纤维/高分子界面结合力。
对于传统的ME-3DP技术，业界在近几年也看到了相当多有亮点的设备创新。这些创新大多旨在提高ME-3DP的打印效率，多集中在两个方面：挤出机构和运动机构。
传统的ME-3DP挤出机构通过以固态线材作为活塞挤压高分子熔体的方式实现材料的连续挤出。这一方式的局限性之一是无法产生很大的挤出压力，因此挤出效率较为低下。Go等在详细分析了传统挤出机构之后 [15]，设计了一个高速挤出机构 [63]。该机构使用了带螺纹的线材（threaded filament）从而提高挤出力，同时在传统加热段之前增加了一个使用激光加热的“预加热段”来提高整体加热效率。根据论文中的数据，这两项设计创新能带来超过10倍的挤出效率提升。德国BigRep公司在2019年推出了MXT技术 [64]，其核心是通过微型化的正向位移计量泵（positive displacement pump） [65]实现熔体的高速、稳定挤出。但根据作者了解的信息，目前配备MXT技术的打印机尚未实现大规模稳定出货。
在运动机构上，西班牙创业公司BCN 3D首创的独立双喷头技术（Independent Dual Extruder或IDEX） [66] 是近年来比较重要的一项创新，能较好地解决双喷头打印的很多问题。IDEX技术也越来越多地出现在新的ME-3DP打印设备中，大有成为主流双喷头打印技术方案的趋势。另外一项趋势是通过和直线电机的结合实现打印过程更高的加速度和线速度。美国的Essentium公司是最早应用直线电机的打印机制造商,目前上海复志、AMESOS等公司也先后推出了应用直线电机的高速打印机。
这些打印设备的创新为解决打印效率这一ME-3DP的核心问题提供了很好的基础——至少在不久的将来，设备将不再成为效率的瓶颈。但这并不意味着打印效率问题可以从此解决。即使有了更快的挤出效率和运动速度，依然无法改变目前工艺极大依赖于经验，成功率低下，打印件性能波动大且难以预测等种种挑战；更大的工艺窗口范围甚至让工艺开发更加困难。以作者的观点来看，未来只能依靠基于科学理论和工具的工艺开发方法才能从根本上解决这些问题，更大地实现ME-3DP的潜力。
3. 对未来技术发展的战略建议
ME-3DP是最早被发明和商业化的3D打印技术之一，也是目前设备出货数量最大和应用最为广泛的3D打印技术。相比其它的高分子3D打印技术，ME-3DP具有很大的优势：成本最低、材料和功能性选择更丰富、实施最为灵活（设备简单且不受粉末床或树脂槽的限制）、能够覆盖极广（从几毫米到数十米）的打印件尺度范围等。以作者和很多海内外业内专家沟通的结果来看，大家普遍认为ME-3DP具备最大的工业应用前景，也是最值得发展的高分子3D打印技术。
但如前文所述，ME-3DP也是一项物理过程和工艺开发极其复杂的技术。其看似简单的“错觉”导致了一定程度上资源的错配，尤其是针对ME-3DP过程的核心科学技术研究的不足；这一点在国内尤为突出。尽管在过去几年间ME-3DP吸引了更多不同领域研究者的加入，但整体而言行业整体科学研究还处于相对初级的阶段，表现在目前行业内对于工艺、材料和核心部件的开发仍然缺乏系统的科学理论框架和成熟的工具方法。以下是作者依据个人的观察和思考给出的一些未来ME-3DP技术发展的战略性建议。
(1) 重视基础理论研究。如上文所属，ME-3DP领域中仍然有非常多的科学问题没有得到很好的回答。如挤出过程中高分子熔体的复杂传热和流变行为，成型过程中的内应力产生与松弛机理，高分子结构（如多相结构、结晶结构等）在打印过程复杂热历史和流变场条件下的演化，等等。如果仅仅将ME-3DP看成简单的技术开发而忽视这些更本质的科学问题（在某种程度上是目前的现状），必将极大地限制这项技术未来的发展与潜力。
(2) 工艺 > 材料 > 设备。针对ME-3DP直觉式的认知往往是设备 > 材料 > 工艺。而结合目前ME-DP的技术挑战和研究现状（第2部分），更符合实际的情况是工艺 > 材料 > 设备。这里的 “>” 不仅仅代表重要性的高低，更重要的是指出了驱动力的方向。
即：对于工艺的认知驱动材料的研发，再驱动设备的创新。
举例来说，业界需要通过对工艺过程的表征，定义出符合工艺过程的材料物性（如粘弹性、结晶行为等等）从而进行材料的设计与开发，再根据材料物性定义和开发与之匹配的打印设备。若将这一流程颠倒，即采取以设备或材料为中心的研发方式，必将导致事倍功半的结果——这一点已经在市场上得到了反复的验证。事实上，很多看起来是设备制造商的公司，其在工艺和材料端的投入都要远大于设备本身。但上述这一认知在实际实施中存在一些管理上的挑战：材料和设备是有形的存在，容易量化和衡量，而工艺则 “看不见摸不着”，相对抽象且难以量化比较与衡量。作者在于很多非技术出身的管理者、投资人和政策制定者的接触中都实实在在地感受到了这一理解和沟通上的挑战。
(3) 重视ME-3DP和复杂科学与数据科学的结合。尽管在基础科学理论上依然存在急需解决的问题，ME-3DP的技术挑战在很大程度上源自超多变量所导致的复杂性。目前绝大部分ME-3DP相关的学术研究工作还是基于传统的还原论思想，即在固定大部分变量的前提下研究单个或少数变量对整体的影响。这一方法适合于对基础科学原理的研究，但对于解决实际的复杂工艺问题还是显得捉襟见肘。对后者更有效的方法之一是引入复杂科学研究中的工具和手段，尤其是和数据科学的结合。目前已经存在一些人工智能/机器学习和ME-3DP的结合（不是本文重点故未作展开） [67, 68]，主要应用于设计优化，以及辅助性的工艺开发和性能预测。目前来看，实际的挑战将会是如何定义和规范数据结构，以及如何获取有效数据。但作者认为这一领域在未来会有巨大的发展价值与潜力。
4. 结语
本文从学术研究和产业现状的双重视角，简要总结了目前ME-3DP技术和行业发展的现状与趋势，也给出了一些未来技术发展的方向性建议。这些内容均基于作者（ME-3DP行业超过十年的深度参与者）的观察与思考，希望能够对行业的科学、健康发展提供一些参考价值。
l 作者
罗小帆博士
苏州聚复高分子材料有限公司总经理
郝明洋博士
苏州聚复高分子材料开发平台专家级研发工程师
黄宇立
苏州聚复高分子产品工程部高级产品经理
(责任编辑：admin)
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